在被稱(chēng)為工業(yè)4.0的轉(zhuǎn)型下，精明的製造商正忙於構(gòu)思和創(chuàng)造未來(lái)的智慧工業(yè)企業(yè)。通過(guò)整合他們的資訊技術(shù)（Iinformation Technology,IT）和營(yíng)運(yùn)技術(shù)（Operational Technology,OT）領(lǐng)域，構(gòu)建下一代智慧系統(tǒng)，以優(yōu)化可製造性，提高營(yíng)運(yùn)、增強(qiáng)客戶支援，並分析工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）提供的實(shí)時(shí)資料數(shù)據(jù)。

IoT的概念，在其最簡(jiǎn)易簡(jiǎn)單的形式，是關(guān)於將嵌入式系統(tǒng)連接到更廣闊的世界。更廣泛地說(shuō)，它包含資料分析（通常在雲(yún)中）、人工交互和安全性。挑戰(zhàn)則是在一個(gè)地方整合四種必要的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù):網(wǎng)路、處理、使用者介面和安全性。恩智浦的QorIQ Layerscape LS1028A處理器可以符合這一挑戰(zhàn)。

時(shí)效性網(wǎng)路

只有調(diào)整綁定每個(gè)領(lǐng)域的網(wǎng)路，才能合併IT和OT。因?yàn)槊總€(gè)領(lǐng)域在功能上差異很大，其網(wǎng)路也基本不同。IT領(lǐng)域包含將資料轉(zhuǎn)換為有用資訊的系統(tǒng)。

對(duì)於製造商來(lái)說(shuō)，它包括常見(jiàn)的系統(tǒng)，如會(huì)計(jì)、電子郵件和客戶關(guān)係管理，還包括製造特定的系統(tǒng)，如規(guī)劃和物流。這些系統(tǒng)是基於電腦的系統(tǒng)，沒(méi)有硬性的即時(shí)限制，可以使用常規(guī)乙太網(wǎng)存取。

OT領(lǐng)域包括用於將材料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的系統(tǒng)、用於程序控制的即時(shí)嵌入式系統(tǒng)、工作管理和過(guò)程監(jiān)控。工廠可以使用工業(yè)乙太網(wǎng)調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)乙太網(wǎng)以提供即時(shí)回應(yīng)並與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)配合的技術(shù)通訊協(xié)定。

不幸的是，許多工業(yè)乙太網(wǎng)協(xié)定既不與相互協(xié)同操作或可使用標(biāo)準(zhǔn)乙太網(wǎng)，限制了技術(shù)供應(yīng)商的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，從而減緩創(chuàng)新。工廠中的一臺(tái)機(jī)器可以連接到不同的工業(yè)乙太網(wǎng)網(wǎng)路，每個(gè)運(yùn)行其特定協(xié)定，針對(duì)不同的控制功能，如圖1所示。製造商必須部署閘道，在不同網(wǎng)路之間傳遞資料或傳遞資料到IT系統(tǒng)。

由於工業(yè)乙太網(wǎng)協(xié)定的互通性有限，因此不太適合工業(yè)4.0。同時(shí)，基於IT系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)乙太網(wǎng)無(wú)法提供控制即時(shí)性能系統(tǒng)需求。然而，IEEE在2004年成立了一個(gè)小組，為音訊/視頻制定標(biāo)準(zhǔn)流用於消費(fèi)者應(yīng)用，隨後擴(kuò)展其努力以滿足專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。此小組開(kāi)發(fā)了一系列音訊/視頻橋接（AVB）標(biāo)準(zhǔn)，用於將網(wǎng)路上的設(shè)備同步到同一時(shí)間基準(zhǔn)（借用IEEE 1588）、流量整形和準(zhǔn)入控制。雖然不是完美這適用於工業(yè)應(yīng)用，這些標(biāo)準(zhǔn)提供了一個(gè)架構(gòu)更精確地管理乙太網(wǎng)流量。

現(xiàn)代機(jī)器流程架構(gòu)

圖1 : 現(xiàn)代機(jī)器流程圖sourceAVNU

IEEE協(xié)會(huì)認(rèn)識(shí)到將AVB用於工業(yè)用途的潛力，將其名稱(chēng)改為時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)（Time-Sensitive Networking，TSN），並開(kāi)始修訂802標(biāo)準(zhǔn)系列，以滿足工業(yè)需求和汽車(chē)應(yīng)用，以及改進(jìn)專(zhuān)業(yè)音訊/視頻使用功能。新標(biāo)準(zhǔn)定義時(shí)間感知流量整形和策略，以啟用關(guān)鍵流量調(diào)度。為了便於調(diào)度，新標(biāo)準(zhǔn)啟用優(yōu)先使用非關(guān)鍵幀。冗餘網(wǎng)路路徑的新標(biāo)準(zhǔn)提高了網(wǎng)路可靠性。工業(yè)公司現(xiàn)在可以部署單個(gè)IEEE標(biāo)準(zhǔn)乙太網(wǎng)網(wǎng)路承載著OT系統(tǒng)的時(shí)間關(guān)鍵控制流量和IT系統(tǒng)的常規(guī)流量。

現(xiàn)在，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵網(wǎng)路技術(shù)已經(jīng)定義，這些公司可以專(zhuān)注於OT-IT融合和工業(yè)4.0的戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)。表1展示部分屬於TSN的新規(guī)範(fàn)，以及工業(yè)應(yīng)用案例。

處理

正如網(wǎng)路必須支援時(shí)間關(guān)鍵函數(shù)一樣，處理也必須支援。即時(shí)作業(yè)系統(tǒng)（RTOS）有助於確保CPU在到達(dá)啟用TSN的埠。回應(yīng)控制資料包的能力還有助於 CPU 解決即將發(fā)生的事件處理器從其他輸入執(zhí)行環(huán)路，以控制系統(tǒng)處理器的一部分。這些迴圈可能需要運(yùn)行到每 30 微秒或更快一次 ，傳統(tǒng)的 IT 衍生作業(yè)系統(tǒng)無(wú)法滿足。對(duì)更多自動(dòng)化的需求要求增加嵌入式控制器的處理能力。

更高的處理性能可用於減少控制回路定時(shí)，更快地移動(dòng)機(jī)械臂和裝配線，並增加工廠產(chǎn)量。它還可以增加由單個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器管理的軸數(shù)，使機(jī)器人具有更鉸接的接頭，可在更狹小的空間內(nèi)操作或執(zhí)行上一代工廠機(jī)器人無(wú)法解決的任務(wù)。能夠從作業(yè)人員學(xué)習(xí)任務(wù)的機(jī)器人需要影像處理技術(shù)，以配合新的機(jī)器學(xué)習(xí)演算法。

商業(yè)RTOS包括來(lái)自Wind River的VxWorks和Mentor Graphics的Nucleus。這些供應(yīng)商長(zhǎng)期支援恩智浦QorIQ家族及其前身處理器。隨著工業(yè)級(jí)LinuxR興起，開(kāi)源替代品是另一種選擇。這些為工業(yè)企業(yè)提供和 OEM 的敏捷性，可為其系統(tǒng)添加新功能。

與以 IT 為中心和非即時(shí)嵌入式 Linux 發(fā)行版本不同，工業(yè)級(jí)發(fā)行版本提供確定性、可管理性、工業(yè)網(wǎng)路和 OT 所需的安全性。一種在Linux添加即時(shí)功能的方法是將 PREEMPT_RT 修補(bǔ)程式應(yīng)用於內(nèi)核，以消除軟體進(jìn)程被另一個(gè)進(jìn)程無(wú)限期地阻止。

在此方案中，應(yīng)用程式被編碼為一般的 Linux API。Xenomai 採(cǎi)取的另一種方法是向 Linux 系統(tǒng)添加經(jīng)典的 RTOS API，促進(jìn)將傳統(tǒng)的RTOS應(yīng)用程式移植到Linux。Xenomai 還提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)程式即時(shí)回應(yīng)週邊設(shè)備，從而鞏固 Linux 可以提供的即時(shí)保證。

為了緩解從傳統(tǒng)RTOS過(guò)渡到Linux，恩智浦正在與工業(yè)Linux社區(qū)合作發(fā)行集成各種即時(shí)增強(qiáng)功能和 TSN 堆疊，同時(shí)保持標(biāo)準(zhǔn) Linux 功能。處理能力也必須可用於分析。物聯(lián)網(wǎng)不僅與網(wǎng)路嵌入式有關(guān)系統(tǒng)，但有關(guān)從感應(yīng)器捕獲資料，分析資料，並指導(dǎo)系統(tǒng)的回應(yīng)。

一個(gè)常見(jiàn)的概念是雲(yún)中的遠(yuǎn)端伺服器執(zhí)行分析。但是，考量到資料傳輸與分析的數(shù)量，決策的時(shí)間關(guān)鍵性，以及資料數(shù)據(jù)的專(zhuān)有特性，會(huì)引導(dǎo)製造商在本地處理製造資料。分析數(shù)據(jù)不僅可以在工廠現(xiàn)場(chǎng)的電腦進(jìn)行，但即使在生產(chǎn)機(jī)械內(nèi)部，也有足夠的強(qiáng)大處理器。

除分析外，工業(yè) 4.0 系統(tǒng)的處理能力將用於遠(yuǎn)端系統(tǒng)管理操作，使機(jī)器能夠自主地相互協(xié)調(diào)，並從連結(jié)生產(chǎn)資料和 IT 系統(tǒng)中提高效率，如用於企業(yè)資源規(guī)劃的系統(tǒng)。

人機(jī)介面

另一個(gè)要求處理能力的功能是人機(jī)介面（HMI）。智慧手機(jī)啟發(fā)介面日益滲透到工業(yè)設(shè)備的世界。便於使用的視覺(jué)化介面或多點(diǎn)觸控平板可嵌入任何工業(yè)設(shè)備，簡(jiǎn)化了操作員操作機(jī)器的過(guò)程。高解析度螢?zāi)辉试S查看高清（或更好的）攝像機(jī)檢測(cè)輸出貨物。驅(qū)動(dòng)這些螢?zāi)粚⑹窃谥腔凼謾C(jī)中相同類(lèi)型的圖形處理單元（GPU）。

儘管這些GPU的3D性能在智慧手機(jī)中會(huì)因降低成本和功耗而性能降低，他們將支援大型高解析度螢?zāi)?圖形疊加，視頻和文本;以及光滑的使用者介面。HMI是現(xiàn)代數(shù)位技術(shù)中IT和OT系統(tǒng)需要融合的完美示例。

圖2 : HMI面板示例

HMI應(yīng)用程式通常使用JAVA SDK或使用基於Web的工具組構(gòu)建。這加速了開(kāi)發(fā)應(yīng)用程式，並允許工廠擁有者輕鬆升級(jí)整個(gè)流程。這需要連接到典型的IT網(wǎng)路，為HMI啟用軟體更新，或提供與 Web 服務(wù)器的持續(xù)連接。但是，這些HMI用於控制工業(yè)機(jī)械，因此它們通常還必須與OT領(lǐng)域連接，提供安全控制。

安全

OT和IT的融合增加了安全威脅的風(fēng)險(xiǎn)。過(guò)去，操作是孤立的，幾乎 不受外界影響。駭客需要物理連結(jié)來(lái)攻擊電腦。OT 和 IT 的融合侵蝕隔離操作的障礙，以便在系統(tǒng)之間共用資訊 提高效率。必須設(shè)置新的障礙，以確保系統(tǒng)的完整性，同時(shí)保持資料流程的滲透性。

設(shè)備製造商的第一步是保護(hù)其設(shè)備。他們必須確保其系統(tǒng)僅執(zhí)行經(jīng)批準(zhǔn)的軟體，並安全地連接到其他系統(tǒng)。這些系統(tǒng)必須安全調(diào)試並定期更新，並防止篡改其硬體和軟體。

恩智浦最近關(guān)於物聯(lián)網(wǎng)安全的白皮書(shū)詳盡地討論了安全性和信任考量因素。同樣考量事項(xiàng)也適用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。而且，工業(yè)環(huán)境中的財(cái)務(wù)和安全風(fēng)險(xiǎn)較高，從而放大了其需要安全系統(tǒng)的必要性。

結(jié)論和行動(dòng)呼籲

恩智浦新型處理器QorIQ Layerscape LS1028A讓工業(yè)4.0設(shè)備製造商融入最先進(jìn)的網(wǎng)路、處理、HMI 和設(shè)計(jì)安全性。這款SoC將下一代工業(yè)系統(tǒng)所需的技術(shù)集成在一個(gè)位置:時(shí)效性網(wǎng)路、高性能處理、硬體加速使用者介面和高安全性。

LS1028集成一個(gè)四埠千兆乙太網(wǎng)交換器和兩個(gè)附加乙太網(wǎng)埠，運(yùn)行速度高達(dá)2.5Gbps，實(shí)現(xiàn)TSN協(xié)定。兩個(gè)強(qiáng)大的64位ARM CPU提供所需的計(jì)算性能適用於現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用和RTOS，如具有即時(shí)修補(bǔ)程式的 Linux、Xenomai Linux、來(lái)自Mentor Graphics的Nucleus， Wind River的VxWorks。處理器的GPU和LCD介面允許支援高解析度顯示器和觸控式螢?zāi)惠斎搿?/span>

用於LS1028A的恩智浦套裝軟體包括開(kāi)源工業(yè)Linux SDK具有即時(shí)性能和對(duì)TSN標(biāo)準(zhǔn)的支援。該處理器整合了恩智浦的信任架構(gòu)，有助於實(shí)現(xiàn)防彈物聯(lián)網(wǎng)安全性。3製造商正在經(jīng)歷工廠和企業(yè)運(yùn)營(yíng)方式的代際變革。恩智浦歡迎領(lǐng)先的設(shè)備製造商合作推動(dòng)這一轉(zhuǎn)型。

(本文作者Joseph Byrne為恩智浦半導(dǎo)體資深策略行銷(xiāo)經(jīng)理，Jeff Steinheider為恩智浦半導(dǎo)體資深產(chǎn)品行銷(xiāo)經(jīng)理)